Condutor em equilíbrio eletrostático

Condutor em equilíbrio
eletrostático
Física II
Prof. Diones Charles
CONDUTORES EM EQUILÍBRIO ELETROSTÁTICO
Vamos estudar o campo elétrico e o potencial elétrico de uma distribuição
de cargas em um condutor em equilíbrio eletrostático.
Para estudar os campos elétricos, não vamos usar sistemas de cargas
puntiformes e sim distribuições de cargas em condutores.
Deve-se considerar que estes estão em equilíbrio eletrostático, ou seja,
nenhuma carga está sendo colocada ou retirada do condutor, e todo o
movimento interno de cargas já cessou.
Definição: Um condutor está em equilíbrio eletrostático quando não há fluxo
ordenado dos elétrons livres em seu interior.
• As cargas elétricas distribuem-se na superfície externa do condutor
• O campo no interior do condutor é nulo.
• O potencial no interior é o mesmo para qualquer ponto.
• a concentração de cargas é maior nas regiões pontiagudas. (poder das pontas)
E
+
E
+++
+
+ +
+
+
+
+
+
E
E
E
+
+
+
+
Para raios
CONDUTORES EM EQUILÍBRIO
Um condutor está em equilíbrio eletrostático quando nele não ocorre
movimento ordenado de cargas elétricas.
Caso um condutor em equilíbrio eletrostático seja eletrizado, este excesso
de cargas elétricas (negativas ou positivas) será distribuída pela
superfície do condutor, pois como sabemos cargas elétricas de mesmo
sinal se repelem.
O maior afastamento possível corresponde a uma distribuição de cargas na
superfície externa do condutor
Distribuição de cargas elétricas num condutor
em equilíbrio eletrostático
 O vetor campo elétrico é perpendicular à superfície.
• O campo elétrico no interior do condutor eletrizado é nulo.
O poder das pontas
Blindagem eletrostática
Densidade elétrica superficial
PROPRIEDADES DO CONDUTOR ISOLADO E EM
EQUILÍBRIO ELETROSTÁTICO
O CAMPO ELÉTRICO NOS PONTOS INTERNOS DO
CONDUTOR É NULO
EINTERNO = 0
Fel = q.E
E=0
Fel = 0
PROPRIEDADES DO CONDUTOR ISOLADO E EM
EQUILÍBRIO ELETROSTÁTICO
O POTENCIAL ELÉTRICO EM TODOS OS PONTOS,
INTERNOS E SUPERFÍCIAIS É CONSTANTE
V = CONSTANTE
E.d = U
E=0
U=0
VA - VB = 0
VA = VB
CAMPO INTERNO
No interior de um condutor eletrizado, de qualquer formato, o campo elétrico é
nulo.
Se houvesse campo elétrico no interior do condutor, ele agiria nos elétrons livres, os
quais teriam um movimento ordenado sob sua influência, contrariando o conceito de
condutor em equilíbrio eletrostático.
Fel = q.E
E=0
Fel = 0
CAMPO EXTERNO
Da sua superfície para fora, o campo elétrico não será nulo. O vetor campo
elétrico deve ser normal à superfície. Se o vetor campo fosse como no ponto da
mesma figura, ele teria uma componente tangencial à superfície do condutor, o que
provocaria movimento ordenado de cargas ao longo da superfície.
CONDUTOR ESFÉRICO
Para se determinar o vetor campo elétrico e o potencial elétrico em
pontos externos a um condutor esférico eletrizado, supõe-se sua carga
puntiforme e concentrada no centro:
O potencial elétrico do condutor esférico de raio é o potencial de
qualquer ponto interno ou superficial, sendo dado pelo valor fixo:
Blindagem Eletrostática
Considere um condutor oco A em equilíbrio eletrostático e,
em seu interior, o corpo C. Como o campo elétrico no
interior de qualquer condutor em equilíbrio eletrostático
é nulo, decorre que A protege o corpo interno C, de
qualquer ação elétrica externa. Um corpo eletrizado B
induz cargas no corpo externo A , mas não no corpo
interno C. Desse modo, o condutor externo A, constitui
uma blindagem eletrostática para o corpo C.
Uma tela metálica envolvendo certa região do espaço
também constitui uma blindagem chamada “gaiola de
Faraday".
A blindagem eletrostática é muito utilizada para a proteção
de aparelhos elétricos e eletrônicos contra efeitos
externos perturbadores. Os aparelhos de medidas
sensíveis estão acondicionados em caixas metálicas, para
que as medidas não sofram influências externas. As
estruturas metálicas de um avião, de um automóvel e de
um prédio constituem blindagens eletrostáticas.
O Poder das Pontas
Nas regiões pontiagudas de um condutor
carregado, a densidade de carga, isto é, a
concentração de cargas elétricas por
unidade de área superficial é mais elevada.
Por isso, nas pontas e em suas vizinhanças
o campo elétrico é mais intenso.
• Quando o campo elétrico nas vizinhanças
da ponta atinge determinado valor, o ar em
sua volta se ioniza e o condutor se
descarrega através da ponta. Esse
fenômeno recebe o nome de ``poder das
pontas". É nele que se baseia, por exemplo,
o funcionamento dos pára-raios.

Q
A
Q

4R 2
Como se formam os raios
As nuvens de tempestade têm altura entre 2 e 18 km, apresentando temperaturas
internas muito diferentes. Na parte inferior, a temperatura é próxima à do ambiente (em
média 20 °C), enquanto que na parte mais alta pode atingir ─ 50 oC.
Como se formam os raios
As nuvens de tempestade têm altura entre 1,5 e 15
km, apresentando temperaturas internas muito
diferentes. Na parte inferior, a temperatura é próxima
à do ambiente (em média 20 oC), enquanto que na
parte mais alta pode atingir - 50 oC.
Este enorme gradiente de temperaturas gera
ventos muito intensos no interior das nuvens
que, por sua vez, provocam a separação de
cargas elétricas devido ao atrito com as
partículas de gelo existentes no topo. Assim, a
parte inferior das nuvens contém excesso de
cargas negativas, enquanto a parte superior,
positivas.
Uma das causas da eletrização seria o atrito entre as partículas de água e gelo.
Distribuição de cargas no solo e nas nuvens.
Ocorre um raio quando a diferença de potencial entre a nuvem e a superfície da
Terra ou entre duas nuvens é suficiente para ionizar o ar: os átomos do ar perdem
alguns de seus elétrons e tem início uma corrente elétrica (descarga).
O trovão é uma onda sonora provocada pelo aquecimento do canal principal durante a subida da
Descarga de Retorno. Ele atinge temperaturas entre 20 e 30 mil graus Celsius em apenas 10
microssegundos (0,00001 segundos). O ar aquecido se expande e gera duas ondas: a primeira é
uma violenta onda de choque supersônica, com velocidade várias vezes maior que a velocidade do
som no ar e que nas proximidades do local da queda é um som inaudível para o ouvido humano; a
segunda é uma onda sonora de grande intensidade a distâncias maiores. Essa constitui o trovão
audível.
A descarga elétrica aquece o ar,
provocando uma expansão que
se propaga em forma de uma
onda sonora, originando o trovão.
Cerca de 70% dos raios ocorrem dentro da
nuvem ou entre nuvens.
Fatos sobre os raios
• A energia total numa grande tempestade elétrica é
superior à de uma bomba atômica.
Fatos sobre os raios
• O Brasil é o país mais atingido por raios no mundo,
sendo o sul de Mato Grosso do Sul a região brasileira de
maior incidência. Lá ocorrem anualmente, cerca de 20
raios por quilômetro quadrado.
Fatos sobre os raios
• Cerca de 100 brasileiros morrem por ano vítimas de
raios, o que corresponde a 10% dessas mortes no
mundo.
Locais perigosos e seguros para uma pessoa
permanecer durante uma tempestade.
Distribuição por ambientes de maior risco
de acidentes.
Você está de carro em uma
tempestade, de repente o carro é
atingido por um raio, o que
acontece?
Assustado com tudo isso, você estaciona o carro e
corre para debaixo de uma árvore.
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Lenda: Se não está chovendo não caem raios.
Verdade: Os raios podem chegar ao solo a até 15 km de distância do local da chuva.
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Lenda: Sapatos com sola de borracha ou os pneus do automóvel evitam que uma pessoa
seja atingida por um raio.
Verdade: Solas de borracha ou pneus não protegem contra os raios. No entanto, a
carroceria metálica do carro dá uma boa proteção a quem está em seu interior; sem tocar
em partes metálicas. Mesmo que um raio atinja o carro é sempre mais seguro dentro do que
fora dele.
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Lenda: As pessoas ficam carregadas de eletricidade quando são atingidas por um raio e
não devem ser tocadas.
Verdade: As vítimas de raios não "dão choque" e precisam de urgente socorro médico,
especialmente reanimação cardiorrespiratória.
Lenda: Um raio nunca cai duas vezes no mesmo lugar.
Verdade: Não importa qual seja o local ele pode ser atingido repetidas vezes, durante uma
tempestade. Isto acontece até com pessoas.
Você já ouviu falar que se devem guardar tesouras e facas na gaveta ou
cobrir espelhos em caso de tempestade?
Muitas crendices foram criadas
pela falta de conhecimento sobre
as
manifestações
elétricas
naturais.
Guardar tesouras e facas ou
cobrir espelhos não protege
ninguém quando ocorre a queda de
um raio.